Leipziger Forscher entwickeln neue Methode zur Entschlüsselung chemischer Reaktionen

Ihre Forschungsergebnisse brachten die Wissenschaftler auf das Titelbild der online bereits erschienenen Ausgabe des angesehenen Fachjournals „Analytical Chemistry“, deren Printausgabe am 5. März 2019 veröffentlicht wird.

In einer Kooperation zwischen dem Institut für Analytische Chemie und dem Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig wurde diese neue Methode erfolgreich angewendet, um solche kurzlebigen Intermediate aus einer laufenden chemischen Reaktion zu isolieren und zu identifizieren.

Im Arbeitskreis um Prof. Dr. Detlev Belder vom Institut für Analytische Chemie dreht sich alles um mikrofluidische Reaktionssysteme. Diese haben die Art und Weise, wie Chemiker Reaktionen durchführen und diese analysieren, revolutioniert.

Die Reaktionen werden auf kleinen, mit Reaktionskanälen durchzogenen Mikrochips durchgeführt. Die Kanäle darauf sind oftmals nicht größer als der Durchmesser eines Haares.

„Durch diese Miniaturisierung schafft man es, nahezu ein ganzes chemisches Syntheselabor auf die Größe einer Visitenkarte zu schrumpfen. Die Länge der Reaktionskanäle auf dem Chip bestimmt hierbei die Reaktionszeit“, erklärt Belder. Wählt man die Länge der Kanäle so, dass die Reaktion nicht vollständig ablaufen kann, bekommt man auch Zugriff auf die Reaktionsintermediate.

Um nun die genaue Funktion der Intermediate in der Reaktion herauszufinden, ist es unerlässlich, die dreidimensionale Struktur der Moleküle zu bestimmen. Genau hier kommt die Expertise auf dem Gebiet der Laserspektroskopie in der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Knut Asmis vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie ins Spiel.

Die Ausgangsstoffe einer chemischen Reaktion, die Intermediate und die Produkte werden mit einem intensiven Infrarotlaser bestrahlt und dadurch zum Schwingen angeregt. Mit Hilfe quantenchemischer Rechnungen kann dann aus der Art und Weise, wie die Moleküle schwingen, eindeutig auf die dreidimensionale Molekülstruktur geschlossen werden.

In diesem konkreten Fall konnten die Forscher Maik Pahl und Martin Mayer den Reaktionsmechanismus einer Hantzsch-Synthese bestimmen. Die nach dem Leipziger Professor Arthur Rudolf Hantzsch (1857 bis 1935) benannte Synthese wird noch heute unter anderem zur industriellen Herstellung von Medikamenten oder in der Agrarindustrie verwendet.

Mayer meint dazu: „Jedes bei einer Reaktion auftretende Teilchen hat einen charakteristischen Infrarot Fingerabdruck, über den seine Struktur eindeutig bestimmt werden kann. Die erfolgreiche Bestimmung der Hantzsch-Synthese zeigt, dass unsere Methode zuverlässig funktioniert und wir sie jetzt auf neue, völlig unbekannte Reaktionen anwenden können.“

Originaltitel der Veröffentlichung in „Analytical Chemistry“:

„Joining Microfluidics with Infrared Photodissociation: Online Monitoring of Isomeric Flow-Reaction Intermediates“

doi/10.1021/acs.analchem.8B05532

Prof. Dr. Detlev Belder
Institut für Analytische Chemie
Telefon: +49 341 97 36091
E-Mail: belder@uni-leipzig.de

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.8b05532